工程热力学WORD版第5章热力学第二定律

长沙理工大学备课纸39第5章热力学第二定律一、教案设计教学目标:使学生深刻认识热力学第二定律的实质-热过程的方向性，实际过程不可逆；了解第二定律的不同表述，掌握热力学的推论工具和推论方法，深刻理解卡诺定理、克劳修斯不等式、熵增原理等判据的重要意义及其应用方法。理解有效能、自由能、自由焓、热力学温标等概念。知识点：理解热力学第二定律的实质，自发过程，卡诺循环，卡诺定理，孤立系统熵增原理，深刻理解熵的定义式及其物理意义。熟练应用熵方程，计算任意过程熵的变化，以及作功能力损失的计算，了解火用、火无的概念。重点：热力学第二定律的实质，卡诺循环，卡诺定理，孤立系统熵增原理难点：卡诺定理、克劳修斯不等式、熵增原理等判据的应用；作功能力损失的计算。教学方式：讲授+多媒体演示+课堂讨论师生互动设计：提问+启发+讨论问：还记得绪论中曾经提到的第二类永动机吗？谁能举出例子吗？问：自发过程都不可逆？不可逆的过程一定是自发过程？为什么？问：高温的汽车尾气经过过滤净化后能循环利用吗？节能吗？问：火力发电厂为什么都要设置凝汽器？为什么？问：有人说火力发电厂的热效率可达60%以上？可信吗？学时分配：8学时+2学时（习题课）二、基本知识第一节自然过程的方向性一、磨擦过程功可以自发转为热,但热不能自发转为功长沙理工大学备课纸40二、传热过程热量只能自发从高温传向低温三、.自由膨胀过程绝热自由膨胀为无阻膨胀,但压缩过程却不能自发进行四、混合过程两种气体混合为混合气体是常见的自发过程五、燃烧过程燃料燃烧变为燃烧产物(烟气等),只要达到燃烧条件即可自发进行结论:自然的过程是不可逆的第二节热力学第二定律的实质一、.热力学第二定律的实质克劳修斯说法：热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其它变化开尔文说法：不可能制造只从一个热源取热使之完全变为机械能，而不引起其它变化的循环发动机。二、热力学第二定律各种说法的一致性反证法:（了解）第三节卡诺循环与卡诺定理意义：解决了热变功最大限度的转换效率的问题一.卡诺循环:1、正循环组成：两个可逆定温过程、两个可逆绝热过程长沙理工大学备课纸41过程a-b：工质从热源(T1)可逆定温吸热b-c：工质可逆绝热(定'熵)膨胀c-d：工质向冷源(T2)可逆定温放热d-a：工质可逆绝热(定熵)压缩回复到初始状态。循环热效率：12101qqqwt)(11abssTq=面积abefa)(22dcssTq=面积cdfec因为)()(dcabssss得到121TTt分析：1、热效率取决于两热源温度，T1、T2，与工质性质无关。2、由于T1,T20，因此热效率不能为13、若T1=T2，热效率为零，即单一热源，热机不能实现。逆循环：长沙理工大学备课纸42包括：绝热压缩、定温放热。定温吸热、绝热膨胀。致冷系数：212212021TTTqqqwqc供热系数211211012TTTqqqwqc关系：112cc分析：通常T2T1-T2所以：11c卡诺定理：1、所有工作于同温热源、同温冷源之间的一切热机，以可逆热机的热效率为最高。2.在同温热源与同温冷源之间的一切可逆热机，其热效率均相等.第四节熵与熵增原理一、熵的导出1865年克劳修斯依据卡诺循环和卡诺定理分析可逆循环，假设用许多定熵线分割该循环，并相应地配合上定温线，构成一系列微元卡诺循环。则有121211TTqqt因为02q，有02211TqTq得到一新的状态参数reTqds)(不可逆过程熵：2122)(IRRTqss长沙理工大学备课纸43二、熵增原理：0isols意义：1．可判断过程进行的方向。2．熵达最大时，系统处于平衡态。3．系统不可逆程度越大，熵增越大。4．可作为热力学第二定律的数学表达式第五节熵产与作功能力损失一、建立熵方程一般形式为：(输入熵一输出熵)+熵产=系统熵变或熵产=(输出熵一输入熵)+系统熵变得到：gfsyssss称fs为熵流，其符号视热流方向而定，系统吸热为正，系统放热为负，绝热为零)。称gs为熵产，其符号：不可逆过程为正，可逆过程为0。注意：熵是系统的状态参数，因此系统熵变仅取决于系统的初、终状态，与过程的性质及途径无关。然而熵流与熵产均取决于过程的特性。开口系统熵方程：cvgfdsssmsms)(2211二、作功能力损失长沙理工大学备课纸44作功能力损失：gisolsTs0例题精要：例1刚性容器中贮有空气2kg，初态参数P1=0.1MPa，T1=293K，内装搅拌器，输入轴功率WS=0.2kW，而通过容器壁向环境放热速率为kWQ1.0.。求：工作1小时后孤立系统熵增。解：取刚性容器中空气为系统，由闭系能量方程：UQWs..经1小时，12..36003600TTmCQWvsKmCQWTTv5447175.021.02.036002933600..12由定容过程：1212TTPP，MPaTTPP186.02935441.01212取以上系统及相关外界构成孤立系统：sursysisoSSSKkJTQSsur/2287.12931.036000KkJSiso/12.22287.18906.0长沙理工大学备课纸45例2气机空气由P1=100kPa，T1=400K，定温压缩到终态P2=1000kPa，过程中实际消耗功比可逆定温压缩消耗轴功多25%。设环境温度为T0=300K。求：压缩每kg气体的总熵变。解：取压气机为控制体。按可逆定温压缩消耗轴功：kgkJPPRTvvRTWSO/3.2641000100ln400287.0lnln2112实际消耗轴功：kgkJWS/4.3303.26425.1由开口系统能量方程，忽略动能、位能变化：21hqhWS因为理想气体定温过程：h1=h2故：kgkJWqS/4.330孤立系统熵增：sursysisoSSS稳态稳流：0sysSkkgkJTqPPRTqSSSsur/44.03004.3301000100ln287.0ln021012例3已知状态P1=0.2MPa，t1=27℃的空气，向真空容器作绝热自由膨胀，终态压力为P2=0.1MPa。求：作功能力损失。（设环境温度为T0=300K）解：取整个容器（包括真空容器）为系统，由能量方程得知：21UU，TTT21对绝热过程，其环境熵变kkgkJPPRPPRPPRTTCSPsys/199.01.02.0ln287.0lnln0lnln21121212长沙理工大学备课纸46kgkJSTWiso/13244.03000例4如果室外温度为-10℃，为保持车间内最低温度为20℃，需要每小时向车间供热36000kJ,求：1)如采用电热器供暖,需要消耗电功率多少。2)如采用热泵供暖，供给热泵的功率至少是多少。3)如果采用热机带动热泵进行供暖，向热机的供热率至少为多少。图5.1为热机带动热泵联合工作的示意图。假设：向热机的供热温度为600K，热机在大气温度下放热。解：1)用电热器供暖，所需的功率即等于供热率,故电功率为360036000..QW=10kW2)如果热泵按逆向卡诺循环运行，而所需的功最少。则逆向卡诺循环的供暖系数为211..TTTWQW=9.77热泵所需的最小功率为WQW..=1.02kW3)按题意，只有当热泵按逆卡诺循环运行时，所需功率为最小。只有当热机按卡诺循环运行时，输出功率为.W时所需的供热率为最小。由56.06002631112TTc1QW热机热泵图5.11Q600K293K263K长沙理工大学备课纸47热机按所需的最小供热率为kWWQtc82.156.002.1/..min三、本章总结l．深入理解热力学第二定律的实质，它的必要性。它揭示的是什么样的规律；它的作用。2．深入理解熵参数。为什么要引入熵。是在什么基础上引出的。怎样引出的。它有什么特点。3．系统熵变的构成，熵产的意义，熟练地掌握熵变的计算方法。4．深入理解熵增原理,并掌握其应用。5．深入理解能量的可用性，掌握作功能力损失的计算方法6．过程不可逆性的理解，过程不可逆性的含义。不可逆性和过程的方向性与能量可用性的关系。7．状态参数熵与过程不可逆的关系。8．熵增原理的应用。9．不可逆性的分析四、作业与讨论1、作业：思考题9、10、11、12；习题5-6、5-7、5-11、5-12、5-172、讨论：1)自发过程为不可逆过程，那么非自发过程即为可逆过程。此说法对吗?为什么?2)自然界中一切过程都是不可逆过程，那么研究可逆过程又有什么意义呢?3)以下说法是否正确?①工质经历一不可逆循环过程,因TQ0，故ds0②不可逆过程的熵变无法计算③若从某一初态沿可逆和不可逆过程达到同一终态，则不可逆过程中的熵变必定大于可逆过程中的熵变。4)某热力系统经历一熵增的可逆过程，问该热力系统能否经一绝热过程回复到初态。长沙理工大学备课纸485)若工质经历一可逆过程和一不可逆过程，均从同一初始状态出发，且两过程中工质的吸热量相同，问工质终态的熵是否相同？6)绝热过程是否一定是定熵过程？定熵过程是否一定满足PvK=定值的方程？7)工质经历一个不可逆循环能否回复到初态？8)用孤立系统熵增原理证明：热量从高温物体传向低温物体的过程是不可逆过程。